一種v型摺疊懸臂梁結構的微顆粒稱重傳感器的製作方法
2023-11-30 19:47:31 2
專利名稱：一種v型摺疊懸臂梁結構的微顆粒稱重傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種V型摺疊懸臂梁結構的微顆粒稱重傳感器，屬於精密顆粒質量探測傳感器領域，主要用於原子稱重、微小顆粒測量、環境灰塵及細菌或病毒等微生物細胞的探測與識別。
背景技術：
壓電諧振式微質量傳感器主要通過測量附著在傳感器表面的物質的質量引起的結構諧振頻率變化來檢測物質成分，基本原理可用下式表述，Afi=-AAmzX,其中&為傳感器第i階諧振頻率，Me為懸臂梁等效質量，Am為單位面積增加質量，Afi為增加質量Δι 引起的傳感器諧振頻率變化。由此可以看出，關鍵彈性元件的諧振頻率^和有效質量札直接決定傳感器的靈敏度和測量精度。對於微小顆粒狀物質的測量，通常採用懸臂梁式微質量傳感器為基體，藉助特定的吸附薄膜，通過吸附作用來固定被測物進行微小質量的測定。然而，吸附薄膜的質量和大小會直接增大傳感器的有效質量，進而降低傳感器的探測靈敏度。同時，由於微小顆粒吸附過程的隨機性，使得被測物的位置無法準確定位，進而降低傳感器的測量精度，嚴重影響了懸臂梁式微質量傳感器在原子標定、環境灰塵如ΡΜ2. 5識別及微生物細胞檢測等領域的應用。國際專利WO 2005/043126 Α2和美國專利US7935191提出採用單壓電片激勵的矩形截面懸臂梁傳感器，由於矩形截面懸臂梁的剛度質量比固定和平面結構的特點，使得傳感器只能依賴於吸附膜來進行物質測量，存在靈敏度低和被測物無法定位的弱點。美國專利US6722200提出一種可測量單原子質量的矽材料傳感器，懸臂梁邊緣位置的靈敏度要明顯低於中心位置，由於該傳感器主要依靠吸附的方式來固定被測原子，使得吸附位置會直接影響測量結果。美國專利US 6389877 BUUS 20090235746和國內專利CN1250156A藉助單頭、雙頭懸臂平板和非壓電層物理延伸的辦法來增大吸附面積，但同時也增大了懸臂梁的系統有效質量札，降低了傳感器的靈敏度。最近國內發明專利公開號CN 1609555Α提出採用測量吸附有探測物的振子位移差的方法來測量質量，但其中需要複雜的光學位移測量系統，增加測量成本。文獻《光學精密工程》2012年第一期「基於槽式懸臂梁結構的微質量傳感器設計」中所述的傳感器雖然有效提升了傳感器的靈敏度，但靈敏度容易受到測量位置的影響，存在單顆粒狀微小物質無法準確定位的弱點。綜合分析發現，受自身結構和吸附膜形狀的限制，純矩形截面式微質量傳感器存在結構複雜、靈敏度低及微小物質難以準確定位的不足，嚴重影響了其適用範圍。因此，新型微質量傳感器的發展趨勢為在提升靈敏度的情況下，簡化傳感器結構形式，準確定位被測物並減小測量位置對靈敏度的影響程度。
發明內容
本發明針對現有微質量傳感器被測物無法定位、靈敏度低及嚴重依賴於吸附膜形狀和吸附位置的弱點，提供一種V型摺疊懸臂梁結構的微顆粒稱重傳感器，引入V型摺疊懸臂梁，利用結構自身的定位特點準確定位被測物質的位置，並使傳感器達到最高靈敏度輸出狀態，有效降低了由吸附薄膜引起的被測物不確定度問題。通過實驗與仿真對比發現，V型摺疊懸臂梁結構的微質量傳感器的靈敏度是在相同尺度矩形截面懸臂梁傳感器的3. 3倍。所提出的微質量傳感器具有靈敏度高、定位準確和測量精度高的特點，有效解決了傳統平面懸臂梁結構傳感器在單原子稱重、細胞測量及灰塵粒度大小測量等方面誤差較大的問題。本發明的技術方案是一種V型摺疊懸臂梁結構的微顆粒稱重傳感器，它主要包括一個與固定塊連接的V型摺疊懸臂梁，懸臂梁上連接壓電薄膜作為驅動和檢測單元，吸附膜連接於懸臂梁的延伸段摺疊槽內表面。當吸附膜吸附到探測物時，通過壓電薄膜測量得到傳感器的諧振頻率變化值，並由此計算得到探測物的質量。所述摺疊懸臂梁結構沿中間部分摺疊形成V型截面，且V型槽的寬度和高度可調。所述摺疊懸臂梁結構沿軸線方向具有單個或多個連續摺疊V型槽。·
所述V型摺疊梁結構一端連接於固定塊，形成懸臂梁結構；所述壓電薄膜連接於摺疊懸臂梁的上表面，且壓電薄膜的長度小於懸臂梁長度；所述摺疊懸臂梁結構的V型凹槽的頂角大於O度小於180度；所述壓電薄膜與懸臂梁翼緣的水平表面相互連接，且無縫隙；所述摺疊懸臂梁與壓電薄膜的重疊部分為複合層，無壓電薄膜覆蓋部分的懸臂梁為延伸部分，兩者的諧振頻率相等。所述V型摺疊懸臂梁結構的微顆粒稱重傳感器的設計方法如下所示
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_4]⑴公式(I)中的參數分別由以下各式表示
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其中，λ π與各階模態本徵值有關的係數，Ep, E1分別為壓電材料和懸臂梁材料的彈性模量，tp，h, b, W2，H，Wl，W3，分別為壓電膜厚度、摺疊梁厚度、摺疊梁寬度、摺疊槽寬度、槽高度、摺疊梁左、右兩側翼寬度，tn，HI1, 分別為中性層位置、等效質量和懸臂梁等效厚度，Ai, P i為各層所對應的截面面積和材料密度。對於懸臂梁延伸部分的諧振頻率f2i，計算公式為
權利要求
1.一種V型摺疊懸臂梁結構的微顆粒稱重傳感器，它主要包括V型摺疊懸臂梁3、壓電薄膜2和固定塊I ;其特徵在於V型摺疊式懸臂梁3的上表面連接著壓電薄膜2，並一端連接於固定塊1，通過測量懸臂結構在吸附探測物前後的諧振頻率差Δ ·，進而計算得到探測物的質量m。
2.根據權利要求，I所述的一種V型摺疊懸臂梁結構的微顆粒稱重傳感器，其特徵在於所述V型摺疊式懸臂梁3的中間部分摺疊凹下去，形成V型截面。
3.根據權利要求，I所述的一種V型摺疊懸臂梁結構的微顆粒稱重傳感器，其特徵在於V型摺疊式懸臂梁3的兩邊緣部分為水平結構，與水平方向夾角為零度。
4.根據權利要求，I所述的一種V型摺疊懸臂梁結構的微顆粒稱重傳感器，其特徵在於壓電薄膜2長度小於懸臂梁3的長度。
5.根據權利要求，I所述的一種V型摺疊懸臂梁結構的微顆粒稱重傳感器，其特徵在於v型摺疊的頂角大於O度小於180度。
6.根據權利要求，I所述的一種V型摺疊懸臂梁結構的微顆粒稱重傳感器，其特徵在於v型摺疊式懸臂梁3的兩側翼緣表面與壓電薄膜2的表面無縫連接。
全文摘要
一種V型摺疊懸臂梁結構的微顆粒稱重傳感器，屬於精密顆粒質量探測傳感器領域。該微質量傳感器包括固定塊、V型摺疊懸臂梁結構和壓電薄膜，其特徵在於連接於固定塊的V型摺疊懸臂梁的上表面連接壓電薄膜，以沿軸線布置的單個或多個V型折槽的頂部作為主探測點，並通過壓電薄膜的數據輸出來準確計算探測物的質量。V型摺疊懸臂梁的引入，有效改變了傳感器的剛度和有效質量分布狀態，大幅度提高了傳感器的探測靈敏度。具體算例表明，與傳統矩形截面懸臂梁結構傳感器相比，靈敏度可提升達227%。該微質量傳感器具有結構簡單、被測物定位準確、和靈敏度高等特點，因而可廣泛用於原子、微小顆粒、環境灰塵及細菌或病毒等微生物細胞的探測。
文檔編號G01N5/02GK102954829SQ20121046797
公開日2013年3月6日 申請日期2012年11月18日 優先權日2012年11月18日
發明者高仁璟, 趙劍, 張延康, 朱傳月, 張瑩, 魏巖 申請人:大連理工大學